本发明涉及海洋工程的，更具体地，涉及一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统与方法。
背景技术：
1、天然气水合物是一种极具前景的接替资源，广泛分布于多年冻土区、大陆边缘或深水环境中，而海洋环境中的天然气水合物占全球水合物资源的97％。在标准条件下，1体积天然气水合物的分解可以得到约164体积的甲烷气体。天然气水合物具有能量密度高、分布广、燃烧几乎无污染的特点。在过去的几十年里，天然气水合物的开发受到了全球范围内的广泛关注，然而目前研究主要集中于水合物开采技术及其衍生技术等方面，而对于水合物生产过程甲烷泄漏以及和天然气水合物分解紧密相关的海底甲烷渗漏的实验模拟研究较少。泄漏甲烷在水合物上覆沉积层及上覆水层的迁移转化特性研究对保障天然气水合物安全开发及海洋甲烷循环至关重要。
2、限制上述研究发展的一个重要原因在于目前已报导的大部分模拟装置只能构建封闭的水合物储层，主要聚焦于天然气水合物解离相变、传热、传质、储层变形等方面的研究。然而在实际的海洋环境中，从上覆海水层至上覆沉积层和水合物储层间还存在显著的压力和温度梯度；随着从海洋表面至水合物储层深度的增加，压力可从大气压力逐渐增至十几兆帕甚至数十兆帕，温度可从大气温度，约25℃逐渐降至海底的近0℃再逐渐升至水合物储层的10℃左右甚至更高；由于温压跨度大的特点，致使在不同海洋深度下甲烷的迁移转化特征存在严重差异性。然而，对于实验室内的模拟尺度，受限于装备尺寸，特别是高度上的限制，导致在存在压力和热量传输的同一腔体内，难以实现海洋环境压力梯度和温度梯度的模拟。对于现已报导的相关模拟装置，其水合物储层、上覆沉积层及上覆海水层均处于同一压力、温度环境内，无法复现原位海洋环境中的压力、温度梯度变化，导致难以精确认知渗漏甲烷在海洋垂向输运过程中的迁移转化特征。因此亟需一种能够构建海洋垂向压力、温度梯度变化环境的模拟装置。
技术实现思路
1、本发明为克服上述现有技术模拟甲烷泄漏时，脱离海洋实际的垂向压力梯度和温度梯度，导致研究结果失真的缺陷，提供一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统与方法，在实验室中准确模拟海洋环境垂向的压力梯度和温度梯度，有利于研究天然气水合物失稳分解或水合物开发过程中泄漏甲烷在海洋全层位的迁移转化特征，使研究结果更加准确。
2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
3、本发明提供了一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，所述系统包括水合物储层模拟子系统、上覆沉积层模拟子系统、上覆海水层模拟子系统、压力控制子系统和温度控制子系统，其中：
4、所述水合物储层模拟子系统用于模拟海洋环境中天然气水合物的形成和分解过程；
5、所述上覆沉积层模拟子系统用于模拟通过水合物储层模拟子系统渗漏的甲烷在沉积层中的迁移转化过程；
6、所述上覆海水层模拟子系统用于模拟通过所述上覆沉积层模拟子系统渗漏的甲烷在不同深度海水层中的迁移转化过程；
7、所述压力控制子系统包括若干个压力控制模块，每个所述压力控制模块用于垂向连通相邻的模拟子系统、独立调节各模拟子系统的压力，实现对甲烷渗漏垂向迁移过程的压力模拟；
8、所述温度控制子系统包括若干个温度控制模块，每个所述温度控制模块用于独立调节各模拟子系统的温度，实现对甲烷渗漏垂向迁移过程的温度模拟。
9、优选地，所述水合物储层模拟子系统包括水合物模拟层、注气阀和注水阀，所述压力控制子系统包括第一压力控制模块，所述温度控制子系统包括第一温度控制模块；
10、所述水合物模拟层的底部设置有注气口和注水口，水合物模拟层的顶部设置有第一出气口；
11、所述注气阀与注气口连接，所述注水阀与注水口连接；
12、所述第一压力控制模块的一端与第一出气口连接，第一压力控制模块的另一端与上覆沉积层模拟子系统连接；
13、所述第一温度控制模块用于调节水合物模拟层的温度。
14、第一压力控制模块和第一温度控制模块独立控制水合物模拟层的压力和温度，模拟海洋中原位储层的压力和温度；通过注气阀和注水阀注入甲烷气体和纯水，在水合物稳定的温、压条件下，甲烷气体和纯水在水合物模拟层形成天然气水合物；在水合物稳定的温、压条件之外，天然气水合物分解生成水和甲烷流体。通过水合物模拟层顶部的第一压力控制模块控制水合物模拟层的压力，当压力大于第一压力控制模块的压力阈值时，第一压力控制模块打开，甲烷流体由于压差向上覆沉积层模拟子系统运移，直到压力低于压力阈值。水合物储层模拟子系统模拟了原位天然气水合物储层中水合物形成和失稳分解的过程。
15、优选地，所述上覆沉积层模拟子系统包括沉积物模拟层，所述压力控制子系统还包括第二压力控制模块，所述温度控制子系统还包括第二温度控制模块；
16、所述沉积物模拟层的底部设置有第二进气口，沉积物模拟层的顶部设置有第二出气口；
17、所述第二进气口与第一压力控制模块的另一端连接，所述第二出气口与第二压力控制模块的一端连接，第二压力控制模块的另一端与上覆海水层模拟子系统连接；
18、所述第二温度控制模块用于调节沉积物模拟层的温度。
19、第二压力控制模块和第二温度控制模块独立控制沉积物模拟层的压力和温度，模拟海洋中原位沉积层的压力和温度；甲烷流体在压力的驱动下从水合物模拟层运移到沉积物模拟层；当沉积物模拟层的压力大于第二压力控制模块的压力阈值时，第二压力控制模块打开，甲烷流体由于压差向上覆海水层模拟子系统运移，直到压力低于压力阈值。沉积层模拟子系统模拟了原位甲烷流体从原位天然气水合物储层运移到沉积层，在沉积层中迁移转化的过程。
20、优选地，所述上覆海水层模拟子系统包括第一海水模拟室、第二海水模拟室和第三海水模拟室；所述压力控制子系统还包括第三压力控制模块、第四压力控制模块和第五压力控制模块；所述温度控制子系统还包括第三温度控制模块、第四温度控制模块和第五温度控制模块；
21、所述第三海水模拟室的底部设置有第三进气口，第三海水模拟室的顶部设置有第三出气口；所述第二海水模拟室的底部设置有第四进气口，第二海水模拟室的顶部设置有第四出气口；所述第一海水模拟室的底部设置有第五进气口，第二海水模拟室的顶部设置有第五出气口；
22、所述第三进气口与第二压力控制模块的另一端连接，第三出气口与第三压力控制模块的一端连接；第三压力控制模块的另一端与第四进气口连接，第四出气口与第四压力控制模块的一端连接；第四压力控制模块的另一端与第五进气口连接，第五出气口与第五压力控制模块的一端连接，第五压力控制模块的另一端悬空；
23、所述第三温度控制模块用于调节第三海水模拟室的温度，第四温度控制模块用于调节第二海水模拟室的温度，第五温度控制模块用于调节第一海水模拟室的温度。
24、第一海水模拟室、第二海水模拟室和第三海水模拟室用于模拟不同深度的海水层，分别对应表层低压海水层、中部中压海水层和底层高压海水层；第三压力控制模块和第三温度控制模块独立控制第三海水模拟室的压力和温度，第四压力控制模块和第四温度控制模块独立控制第二海水模拟室的压力和温度，第五压力控制模块和第五温度控制模块独立控制第一海水模拟室的压力和温度，分别模拟海洋中原位表层海水、中部海水和底层海水的压力和温度；甲烷流体在压力的驱动下从沉积物模拟层运移到第三海水模拟室；当第三海水模拟室的压力大于第三压力控制模块的压力阈值时，第三压力控制模块打开，甲烷流体由于压差向第二海水模拟室运移，直到压力低于压力阈值；当第二海水模拟室的压力大于第四压力控制模块的压力阈值时，第四压力控制模块打开，甲烷流体由于压差向第一海水模拟室运移，直到压力低于压力阈值；当第一海水模拟室的压力大于第五压力控制模块的压力阈值时，第五压力控制模块打开，甲烷流体向上运移排出上覆海水层模拟子系统。上覆海水层模拟子系统模拟了原位甲烷流体从原位沉积层云迁移到底层高压海水层，随后迁移到中部中压海水层，最后迁移到表层低压海水层的过程。
25、优选地，所述第一压力控制模块、第二压力控制模块、第三压力控制模块、第四压力控制模块和第五压力控制模块的结构相同，均包括可编程控制器、电磁阀、节流阀和气动阀；
26、所述可编程控制器与电磁阀的控制端连接，电磁阀的动作端与气动阀的阀芯连接；所述气动阀的一端与对应的出气口连接，气动阀的另一端与节流阀的一端连接，节流阀的另一端与对应的进气口连接。
27、电磁阀用于实现电控制信号到气路控制的转换。可编程控制器向电磁阀的线圈接通电源，在电磁阀线圈的作用下，使电磁阀内部的阀芯动作，控制断开与导通，完成压缩控制的流向控制。气动阀是通过接收气动信号来改变阀芯的位置进而控制阀门的开度，当压力低于阈值，阀门关闭，保证压力不泄。例如：当水合物模拟层的天然气水合物分解产生大量甲烷气体，水合物模拟层压力升高，超过设置的压力阈值时，气动阀阀门开启，甲烷流体通过气动阀向节流阀运移，节流阀控制流体流量，经过节流阀后的甲烷流体流向沉积物模拟层；此时合物模拟层的压力随着流体流出降低，当降低到设置的压力阈值以下时，气动阀阀门关闭，实现水合物模拟层的压力控制与调节。通过压力控制模块控制对应模拟室或模拟层的压力阈值，使得每个模拟子系统之间既能互相连通，又可以分别模拟原位垂直梯度的压力剖面，实现了在实验室模拟海洋原位压力下甲烷泄漏垂向迁移的过程。
28、优选地，所述第一温度控制模块、第二温度控制模块、第三温度控制模块、第四温度控制模块和第五温度控制模块的结构相同，均包括水浴箱和温控器；
29、所述水浴箱用放置对应的模拟层或模拟室；
30、所述温控器与水浴箱电连接，用于调节水浴箱的温度。
31、通过温控器调节水浴箱的温度，进而控制对应模拟层或模拟室的温度，模拟了原位垂直梯度的温度剖面，实现了在实验室模拟海洋原位温度下甲烷泄漏垂向迁移的过程。
32、优选地，所述系统还包括数据监测采集子系统；
33、所述数据监测采集子系统包括若干个压力传感器、若干个温度传感器和若干个取样阀；
34、一个所述压力传感器对应连接一个压力控制模块；
35、每两个所述温度传感器对应连接一个海水模拟室，分别连接于海水模拟室的顶部和底部；
36、每两个所述取样阀对应连接一个海水模拟室或沉积物模拟层，分别连接于海水模拟室或沉积物模拟层的顶部和底部。
37、其中，数据监测采集子系统包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器，分别与第一压力控制模块、第二压力控制模块、第三压力控制模块、第四压力控制模块和第五压力控制模块连接；
38、数据监测采集子系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别连接第三海水模拟室的底部和顶部，第三温度传感器和第四温度传感器分别连接第二海水模拟室的底部和顶部，第五温度传感器和第六温度传感器分别连接第一海水模拟室的底部和顶部；
39、数据监测采集子系统包括第一取样阀、第二取样阀、第三取样阀、第四取样阀、第五取样阀、第六取样阀、第七取样阀和第八取样阀，第一取样阀和第二取样阀分别连接沉积物模拟层的底部和顶部，第三取样阀和第四取样阀分别连接第三海水模拟室的底部和顶部，第五取样阀和第六取样阀分别连接第二海水模拟室的底部和顶部，第七取样阀和第八取样阀分别连接第一海水模拟室的底部和顶部。
40、优选地，所述系统还包括处理终端；
41、所述处理终端包括处理器、存储器和显示器；
42、所述处理器的输入端分别与若干个压力传感器、若干个温度传感器和若干个取样阀的输出端电连接，用于接收监测数据并进行处理，获得数据处理结果；
43、所述处理器与所述存储器电连接，所述存储器用于存储监测数据和数据处理结果；
44、所述处理器的输出端与所述显示器的输入端连接，所述显示器用于显示监测数据和数据处理结果。
45、本发明还提供了一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟方法，基于上述的模拟系统实现，包括：
46、s1：构建所述水合物模拟层、沉积物模拟层、第三海水模拟室、第二海水模拟室和第一海水模拟室的环境；
47、s2：通过所述注气阀向所述水合物模拟层注入预设量的甲烷气体，通过所述注水阀向所述水合物模拟层注入预设量的纯水或盐水，通过各压力控制模块向对应的模拟层或模拟室注入不同压力，通过各温度控制模块调节对应的模拟层或模拟室的温度；
48、s3：所述水合物模拟层在天然气水合物形成需要的高压低温环境，进行天然气水合物的形成和分解；天然气水合物分解使水合物模拟层的压力升高，当压力大于第一压力控制模块的压力阈值时，第一压力控制模块打开，甲烷流体向上运移至沉积物模拟层；
49、s4：所述沉积物模拟层的压力升高，当压力大于第二压力控制模块的压力阈值时，第二压力控制模块打开，甲烷流体向上运移至第三海水模拟室；
50、s5：所述第三海水模拟室的压力升高，当压力大于第三压力控制模块的压力阈值时，第三压力控制模块打开，甲烷流体向上运移至第二海水模拟室；
51、s6：所述第二海水模拟室的压力升高，当压力大于第四压力控制模块的压力阈值时，第四压力控制模块打开，甲烷流体向上运移至第一海水模拟室；
52、s7：所述第一海水模拟室的压力升高，当压力大于第五压力控制模块的压力阈值时，第五压力控制模块打开，甲烷流体排出；
53、s8：通过所述压力传感器和温度传感器实时监测各模拟层和模拟室的温度、压力分布及变化，通过所述取样阀对各模拟层和模拟室的甲烷流体进行取样；
54、s9：通过处理终端处理、储存和显示监测数据和数据处理结果，直至水合物模拟层中天然气水合物全部分解完毕为止，完成天然气水合物分解甲烷泄漏过程的模拟。
55、优选地，所述步骤s1包括：
56、在所述水合物模拟层中填充粉砂质沉积物充当多孔介质，在所述沉积物模拟层中填充黏土层；
57、向所述水合物模拟层、沉积物模拟层、第三海水模拟室、第二海水模拟室和第一海水模拟室填充预设量的海水。
58、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
59、本发明设置水合物储层模拟子系统模拟海洋中原位储层天然气水合物的形成和分解过程，设置上覆沉积层模拟子系统模拟海洋中渗漏的甲烷在原位沉积层中的迁移转化过程，设置上覆海水层模拟子系统模拟海洋中渗漏的甲烷在同深度海水层中的迁移转化过程；在相邻的模拟子系统间设置压力控制模块用于垂向连通，并独立调节各模拟子系统的压力，模拟了原位垂直梯度的压力剖面，实现了在实验室模拟海洋原位压力下甲烷泄漏垂向迁移的过程；为每个模拟子系统设置温度控制模块，用于独立调节各模拟子系统的温度，模拟了原位垂直梯度的温度剖面，实现了在实验室模拟海洋原位温度下甲烷泄漏垂向迁移的过程。本实发明实现了从水合物储层到上覆沉积层再到上覆海水层的全剖面甲烷渗漏过程模拟，同时研究甲烷泄漏过程中各个层位的甲烷迁移转化特征；在保证各模拟子系统的连通性、实现各模拟子系统之间流体运输的前提下，同时实现各模拟子系统之间的温度压力垂直梯度模拟，各模拟子系统的模拟过程互不干扰，解决了现有室内甲烷泄漏过程模拟技术无法准确还原原位环境垂向压力、温度变化导致的研究结果失真的问题。
1.一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述系统包括水合物储层模拟子系统(1)、上覆沉积层模拟子系统(2)、上覆海水层模拟子系统(3)、压力控制子系统(4)和温度控制子系统(5)，其中：
2.根据权利要求1所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述水合物储层模拟子系统(1)包括水合物模拟层(11)、注气阀(12)和注水阀(13)，所述压力控制子系统(4)包括第一压力控制模块(41)，所述温度控制子系统(5)包括第一温度控制模块(51)；
3.根据权利要求2所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述上覆沉积层模拟子系统(2)包括沉积物模拟层(21)，所述压力控制子系统(4)还包括第二压力控制模块(42)，所述温度控制子系统(5)还包括第二温度控制模块(52)；
4.根据权利要求3所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述上覆海水层模拟子系统(3)包括第一海水模拟室(31)、第二海水模拟室(32)和第三海水模拟室(33)；所述压力控制子系统(4)还包括第三压力控制模块(43)、第四压力控制模块(44)和第五压力控制模块(45)；所述温度控制子系统(5)还包括第三温度控制模块(53)、第四温度控制模块(54)和第五温度控制模块(55)；
5.根据权利要求4所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述第一压力控制模块(41)、第二压力控制模块(42)、第三压力控制模块(43)、第四压力控制模块(44)和第五压力控制模块(45)的结构相同，均包括可编程控制器(401)、电磁阀(402)、节流阀(403)和气动阀(404)；
6.根据权利要求4所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述第一温度控制模块(51)、第二温度控制模块(52)、第三温度控制模块(53)、第四温度控制模块(54)和第五温度控制模块(55)的结构相同，均包括水浴箱和温控器；
7.根据权利要求4所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述系统还包括数据监测采集子系统(6)；
8.根据权利要求7所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟系统，其特征在于，所述系统还包括处理终端(7)；
9.一种梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟方法，基于权利要求1-8任一项所述的模拟系统实现，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的梯度式天然气水合物分解甲烷泄漏模拟方法，其特征在于，所述步骤s1包括：
